Mikroprocesor

Mikroprocesor (zkráceně µP či uP) je v informatice označení pro centrální procesorovou jednotku (CPU), která je jako celek integrována do pouzdra jediného integrovaného obvodu nebo nejvýše několika mála integrovaných obvodů. Mikroprocesor je víceúčelové programovatelné zařízení, které na vstupu akceptuje digitální data, zpracuje je pomocí instrukcí uložených v paměti a jako výstup zobrazí výsledek. Mikroprocesor představuje příklad sekvenčního logického obvodu, který pro uložení dat používá dvojkovou soustavu.

Mikroprocesor bývá součástí mnoha elektronických zařízení. Vzhledem k tomu, že softwarem je možné jednoduše realizovat i velmi složité požadavky a vzhledem k neustále klesající ceně a rostoucím možnostem mikroprocesorů, se používají téměř v každém složitějším elektronickém zařízení (rádia, počítače, mobilní telefony, tiskárny, pračky, chladničky, televizory apod.).

Druhy mikroprocesorů

• CPU (Central Processing Unit) - hlavní (mikro)procesor počítače (v minulosti však CPU neměl vždy podobu mikroprocesoru)
• GPU (Graphic Processing Unit) – hlavní mikroprocesor grafické karty
• APU (Accelerated Processing Unit) - CPU a GPU v jednom pouzdře
• matematický procesor (FPU), označovaný také jako matematický koprocesor, dnes je většinou integrovaný s CPU v jednom pouzdře.
• zvukový procesor
• signálový procesor (DSP procesor)
• jiné specializované procesory

Před vynálezem mikroprocesorů byly elektronické CPU vyrobené z oddělených TTL integrovaných obvodů; předtím z jednotlivých tranzistorů; a ještě dříve založené na elektronkách. Existovaly návrhy jednoduchých počítacích strojů založených na mechanických součástkách jako ozubené kola, hřídele, páky atd. Leonardo da Vinci navrhl jeden z nich, bohužel ho nebylo možné sestavit výrobními postupy jeho doby.

Vývoj mikroprocesorů dosud sleduje Mooreův zákon týkající se stálého zvyšovaní výkonu v čase. Tento zákon nám říká, že se „komplexnost integrovaného obvodu s ohledem na minimální cenu komponent zdvojnásobí každých přibližně 18 měsíců“, což se ve všeobecnosti i překvapivě dělo od začátku 70. let. Od samotných začátků jako mozek kalkulaček viděl zvyšující se výkon k dominanci mikroprocesorů v každé jiné formě počítače; každý systém od největšího mainframe (sálový počítač) po nejmenší handheld dnes v jádře používá mikroprocesor.

Historie

První čipy

Technologie výroby integrovaných obvodů pokročila v 60. letech 20. století natolik, že okolo roku 1970 bylo možné vyrobit procesor, jehož podstatná část byla realizována jedním integrovaným obvodem. Začátkem 70. let byly prakticky současně vytvořeny tři typy mikroprocesorů jako výsledek tří nezávislých projektů v přibližně stejném čase: Intel 4004, Texas Instruments TMS1000 a Garrett AiResearch Central Air Data Computer MP944.

V roce 1968 bylo společnosti Garrett nabídnuto, aby vyprodukovala počítač schopný soupeřit s elektromechanickými systémy, které byly tehdy vyvíjeny pro systém letové kontroly nové stíhačky F-14 Tomcat námořnictva USA. Návrh byl hotový do roku 1970 a jako jádro používal čipovou sadu založenou na MOS. Návrh byl menší a spolehlivější než mechanické systémy, se kterými soupeřil, a byl použit ve všech raných modelech letadel Tomcat. Systém však považovalo námořnictvo za tak vyspělý, že jej označilo za tajný, a utajování pokračovalo až do roku 1997. Z toho důvodu je CADC a čipová sada MP944 považována za poměrně neznámou i dnes.

Firma Texas Instruments vyvinula 4bitový čip Texas Instruments TMS1000, testovala hranice předprogramovaných vložených aplikací a v září 1971 představila verzi zvanou TMS1802NC 17, které implementovala kalkulačku na čipu. Ve firmě Intel vyvinul Federico Faggin 4bitový čip Intel 4004, který byl uvolněn do prodeje dne 15. listopadu 1971.

Firma Texas Instruments se ucházela o patent na mikroprocesor a Gary Boone dostal patent v USA 3,757,306 za architekturu mikroprocesoru na jediném čipu dne 4. září 1973. Nebude možné nikdy zjistit, která společnost měla ve skutečnosti první v laboratoři pracující mikroprocesor. V letech 1971 a 1976 firmy Intel a Texas Instruments podepsaly mnoho vzájemných licenčních patentových dohod, podle kterých firma Intel platila firmě Texas Instruments za patent na mikroprocesor.

Jednočipový počítač je variantou mikroprocesoru, která kombinuje jádro mikroprocesoru (CPU), paměť a vstupně/výstupné linky na jednom čipu. Patent USA 4,074,351 na počítač na čipu, zvaný patent na mikropočítač, byl udělen Garymu Booneovi a Michaelovi J. Cochranovi z firmy Texas Instruments. Mimo tohoto patentu je správný význam mikropočítače počítač používající (několik) mikroprocesor(ů) jako svůj CPU, zatímco koncept patentu do jisté míry připomíná mikrokontrolér.

Intel uzavřel smlouvu s Computer Terminals Corporation, dříve zvanou Datapoint, ze San Antonio v Texasu na čip pro terminál, který navrhovali. Datapoint se následně rozhodl čip nepoužít a Intel jej prodával jako 8008 od dubna 1972, čímž se stal prvním 8bitovým mikroprocesorem na světě. Byl základem slavné počítačové sady Mark-8 propagované v časopise Radio-Electronics v roce 1974. Procesory Intel 8008 a jeho následovník Intel 8080 otevřely trh s mikroprocesorovými komponentami.

Významné 8bitové procesory

Po Intel 4004 později následoval Intel 8008, slavný první 8bitový mikroprocesor. Tyto procesory jsou předchůdci tržně úspěšného Intel 8080, Zilog Z80 a odvozené 8-bitové procesory Intel 8-bit. Konkurenční architektura Motorola 6800 byla klonovaná a zlepšená firmou MOS Technology pod názvem MOS Technology 6502, čímž soupeřila s popularitou Z80 v osmdesátých letech.

Z80 i 6502 se soustředily na nízkou celkovou cenu, dosaženou díky kombinaci malého pouzdra, jednoduchými požadavky na sběrnici a integrované obvody, které běžně byly poskytované jako oddělený čip (např. Z80 obsahoval paměťový kontrolér). Byly to právě tyto vlastnosti, které umožnily start „revoluci“ domácích počítačů na začátku osmdesátých let, která nakonec produkovala polo-užitečné stroje za 99 USD.

Motorola triumfovala v celém 8bitovém světě představením MC6809, podle některých nejsilnějšího ortogonálního a čistě 8bitového mikroprocesorového návrhu; a též nejkomplexnější napevno zadrátovanou logikou, která se kdy dostala do výroby pro mikroprocesor. Mikrokódovaní nahradilo napevno zadrátovanou logiku přibližně v této době ve všech návrzích silnějších než MC6809, právě proto, že požadavky na návrh se staly pro pevné drátování příliš komplexní. Jiný z prvních 8-bitových mikroprocesorů byl Signetics 2650, který se těšil krátkému návalu zájmu díky inovativní a obsáhlé architektuře instrukční sady.

Výchozí návrh mikroprocesoru ve světě vesmírného letu byl RCA 1802 od Radio Corporation of America (též známy jako CDP1802, RCA COSMAC), který NASA použila v programu vesmírných sond Voyager a Viking v sedmdesátých letech a na palubě sondy Galileo na Jupiter (1989-1995). CDP1802 byl použit proto, že má velmi nízkou spotřebu a protože jeho výrobní proces  zajišťoval lepší ochranu proti kosmickému záření a elektrostatickým výbojům než jakýkoli jiný  procesor té doby; proto se o 1802 hovoří jako o prvním procesoru se zvýšenou odolností vůči radiaci.

Rozdělení CPU

Podle instrukční sady

CPU se v současné době dělí podle podporované instrukční sady jsou (podle doby zrodu) CISC, RISC, VLIW a EPIC.

Mezi představitele CPU s instrukční sadou CISC patří v současnosti zejména mikroprocesory řady x86-64. Mezi představitele CPU s instrukční sadou RISC patří zejména mikroprocesory ARM, SPARC, MIPS, PowerPC a Alpha. Mezi představitele VLIW patří zejména mikroprocesory Tilera a některé GPU fy AMD. Nakonec, představitelé instrukční sady typu EPIC jsou mikroprocesory IA-64 a ev. mikroprocesory Elbrus.

Podle šířky slova (v bitech)

CPU v prvních mikroprocesorech byly 4bitové, což bylo dáno tím, že často počítaly přímo s čísly v desítkové soustavě. Brzy přišly 8bitové procesory, u nichž se zjednodušeně dá říci, že umí přímo počítat s čísly od 0 do 255, zatímco 16bitový procesor s čísly od 0 do 65535 (tj. 0 až 2¹⁶-1) atd. Operace s většími čísly pak musí být rozděleny do několika kroků. Procesory se slovem 32bitů byly dlouho dostačující, ale protože kvůli návrhu dokázaly přímo adresovat jen 4 GB virtuální paměti, byly nahrazeny procesory 64bitovými.

Existovaly i procesory, které měly exotické šířky slova, například 10 nebo 24 bitů (například DSP z řady Motorola 56000). V počítačích se však prosadily procesory s šířkou slova danou mocninou 2 (kvůli jednodušší manipulaci a vzájemné zaměnitelnosti jednotlivých operandů).

Podle architektury procesoru

Procesory RISC s redukovanou sadou strojových instrukcí a CISC procesory s velkým počtem strojových instrukcí. Jako výhodnějšíTemplate:Doplňte zdroj se ukazují instrukční sady typu RISC, avšak některé architektury z důvodu zachování zpětné kompatibility pracují i se strojovým kódem typu CISC (Intel x86). Procesory RISC jsou velmi úspěšné např. v mobilních telefonech nebo v superpočítačích, protože jednodušší architektura se projevuje nižší spotřebou energie.

Podle podpory operačního systému

Pro jednoduché aplikace nemusí procesor integrovat jednotku pro správu a ochranu paměti (MMU, Template:Vjazyce Template:Cizojazyčně), případně podporovat ochranu paměti nebo privilegovaný režim. Pro provoz plnohodnotných operačních systémů (například Windows NT a vyšší tj. XP, 7, 8 ..., Linux, Mac OS X atd.) je jednotka správy a ochrany paměti nezbytná. Bez zmíněné podpory v procesoru jsou velmi omezené možnosti primitivního multitaskingu, současné práce více uživatelů na jednom počítači nebo virtualizace.

Podle stupně integrace

Jednočipový mikropočítač nebo také mikrokontrolér (MCU) obsahuje kromě procesoru i další obvody, jako jsou časovače (timery a watchdog timery), nevolatilní paměť (EEPROM, FLASH nebo ROM) a volatilní paměť (typicky SRAM), dále vstupně výstupní obvody, takže je schopen samostatné funkce. Za průkopníky v této kategorii můžeme považovat 8bitový procesor Intel i8051, který poprvé integroval všechny základní periferie (jádro procesoru, paměť RAM, EEPROM, čítače a časovače) na jediném čipu a 16bitový technologický procesor Siemens SAB 80C166, který poprvé integroval A/D převodníky, komunikační linky a masivní systém čítačů/časovačů/přerušení. Následníky řady 80166 dnes^[kdy?] vyrábí Infineon (řada C167 a C166 SV2) a SGS Thomson (řada ST10). V současnosti v oblasti jednočipových mikropočítačů a mikrokontrolérů převažují obvody založené na architektuře ARM.

Podle specializace

Digitální signálový procesor (DSP) je zaměřen na zpracování signálu. DSP jsou optimalizovány na co nejrychlejší opakování jednoduchých matematických algoritmů, zaměřených na zpracování signálu. Typickou aplikací DSP je filtrace signálu pomocí filtrů FIR a IIR nebo Fourierova analýza. DSP se dnes používají především ve spotřební elektronice a v telekomunikační technice. Současné DSP obsahují proti svým předchůdcům navíc také rychlé komunikační linky, aby bylo možné přenášet velký datový tok, protékající těmito procesory. Můžeme rovněž pozorovat snahy o spojení výhod DSP a mikroprocesorů, ať už je to cestou rozšiřování DSP o periferie nebo rozšiřováním mikrokontrolérů o DSP jednotky.

Podle počtu jader

V současnosti^[kdy?] jde vývoj směrem k integraci více jader, tedy více procesorů do jediného čipu. Tento trend můžeme pozorovat u procesorů pro osobní počítače. Procesory se tedy dělí na jednojádrové a vícejádrové. Zvyšování počtu jader je v podstatě vynuceno fyzikálními omezeními (např. rychlostí šíření elektrického signálu, technologií daným ztrátovým výkonem čipu, ...). Integrací většího počtu jednodušších jader je možné dosáhnout při stejné výrobní technologii na stejné ploše křemíku pro některé aplikace (více náročných paralelních výpočtů) mnohem vyšší výpočetní výkon, než použitím jediného složitého jádra.

Podle implementace

Mikroprocesor může být vytvořen jako jednoúčelový obvod určený přímo k velkosériové výrobě, ale může být implementován také jako firmware běžící v programovatelném hradlovém poli. Jádro jednoduchých 8bitových mikroprocesorů se skládá z 5 až 10 tisíc hradel.

Základní parametry mikroprocesoru

Díky složitosti procesorů není možné stanovit několik jednoduše srozumitelných obecných parametrů, které by umožnily objektivní srovnání různých procesorů. Následující tabulka umožňuje zhruba srovnat hlavní rysy současných procesorů.

Parametr	Popis	Jednotka	běžný rozsah
Výkon CPU (celočíselný)	Počet základních operací provedených za jednu sekundu	IPS (např. soft. Dhrystone)	jednotky až stovky GIPS (gigaops)
Výkon FPU (desetinný)	počet desetinných operací v jednoduché nebo dvojnásobné přesnosti, které zvládne provést mikroprocesor za sekundu	FLOPS (např. soft. Whetstone)	až jednotky TFLOPS (teraflops)
Řada	Oficiální označení velikosti tranzistorů	nm	10000 nm (roku 1971), 1500 nm (1982), 600 nm (1994), 90 nm (2004), 14 nm (2014) 7 nm (2019)
Výrobní proces	Skutečná velikost hradla tranzistorů	nm	45 nm (2004), 25 nm (2014)
Šířka slova	Maximální bitová šířka operandů instrukcí	bit	4 – 64 (nebo FP vektory až 8x64bit)
Počet jader	Počet a typ jader integrovaných v procesoru	číslo	běžně 1 – 16 jader
Efektivita strojového kódu	Počet instrukcí potřebných pro provádění běžných operací	IP/cyklus hodin	1 – 5 (CISC), 1 – 12 (RISC)
Šířka externí datové sběrnice	Maximální počet bitů, které je možné během jedné operace přenést z/do čipu	bit	8 – 128
Frekvence externí datové sběrnice (FSB)	Maximální frekvence přístupu do externí paměti RAM	Hz	stovky MHz
Interní paměť cache	Kapacita rychlé interní vyrovnávací paměti integrované přímo na čipu procesoru	Byte	i několik MiB (většinou 4-12MiB)
Velikost adresovatelné paměti	Velikost externí paměti, kterou je procesor schopen přímo používat	Byte	u 32bitových CPU řádově 4 GiB i více

Literatura

• Váňa Vladimír: ARM pro začátečníky, BEN - technická literatura, 2009, ISBN 978-80-7300-246-6
• Skalický Petr: Mikroprocesory řady 8051, BEN - technická literatura, 2002, ISBN 80-86056-39-2
• Pinker Jiří: Mikroprocesory a mikropočítače, BEN - technická literatura, 2004, ISBN 80-7300-110-1
• Bernard, Jean – Michel, Hugon, Jean, Corvec, Robert Le: Od logických obvodů k mikroprocesorům, SNTL Praha 1986

Související články

• Architektura procesoru
• Architektury procesorů (seznam realizovamých procesorů)
• Centrální procesorová jednotka
• Vektorový procesor